Rüzgâr Enerjisi ve Rüzgâr Enerji Santralleri

Transkript

1 Rüzgâr Enerjisi ve Rüzgâr Enerji Santralleri Kadir GELİŞ Öğretim Görevlisi Meslek Yüksekokulu Makine ve Metal Bölümü

2 Abdussamet SUBAŞI Enerji Kavramı

3 Enerji Nedir? Çevremizde enerji kelimesini birçok yerde duyarız. - Enerji içeceği - Enerji krizi - Enerji darboğazı - Enerji tasarrufu - Enerji faturası - Enerji sertifikası vs. Enerji iş yapabilme kapasitesi olarak tarif edilebilir. Enerjiyi göremeyiz, koklayamayız veya direkt olarak ölçemeyiz. Sadece etkilerini gözleyebiliriz. 020

4 Enerji Kaynakları Yenilenebilir (Renewable) Enerjiler; Kaynakları sonsuz, tükenmez. Yenilenemez (Nonrenewable) Enerjiler; Sonlu rezerve sahip kaynakları var, tükenir. 021

5 Yenilenebilir Enerji Kaynakları Abdussamet SUBAŞI

6 Yenilenebilir Enerji Kaynakları Güneş enerjisi Rüzgâr enerjisi Jeotermal enerji Hidroelektrik enerji Biyoenerji o Katı (odun) o Sıvı (etanol, biyodizel) o Gaz (biyogaz) Dalga Gel-git Okyanus termal enerji Katı atık (çöp) 023

7 Neden Rüzgâr Enerjisi? Tükenmeyen bir enerjidir. Yenilenebilir enerji kaynağıdır. Kullanıldıkça yeri dolar. Temiz enerjidir. Atmosferi kirletmez. Çevre dostudur. CO ve türevlerinin emisyonu yoktur. Dışa bağımlılığı yoktur. Enerji krizlerini önleyebilir. Başka enerjilere dönüştürme teknikleri kolaydır. Kolay elde edilir. 024

8 Neden Rüzgâr Enerjisi? Kaynak : Enerji Verimliliği ve Türkiye nin Enerji Geleceği Prof. Dr. Yunus Ali ÇENGEL, Erzurum 025

9 Abdussamet SUBAŞI Ülkemizde Rüzgâr Enerjisi

10 Ülkemizin Rüzgâr Potansiyeli Türkiye nin rüzgâr enerjisi teknik potansiyeli tüm Avrupa ülkelerinden daha yüksektir. Ülke Yüzölçümü [km 2 ] >3m/s Rüzgârın Estiği Alan [m 2 ] Rüzgâr Santralı Kurulması Uygun Alan [m 2 ] Rüzgâr Teknik Potansiyeli (TWh/Yıl) Türkiye İngiltere İspanya Fransa Norveç İtalya Yunanistan İrlanda İsveç İzlanda Danimarka Almanya Kaynak : Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yrd.Doç.Dr.İsmet AKOVA Nobel Yayın Dağıtım ISBN :

11 Ülkemizin Rüzgâr Atlası [30 m] Kaynak : EİE Resmi Web Sayfası 037

12 Ülkemizin Rüzgâr Atlası [50 m] Kaynak : EİE Resmi Web Sayfası 038

13 Ülkemizin Rüzgâr Atlası [70 m] Kaynak : EİE Resmi Web Sayfası 039

14 Ülkemizin Rüzgâr Atlası [100 m] Kaynak : EİE Resmi Web Sayfası 040

15 Yenilenebilir Enerjiyle İlgili Kanun 041

16 Ülkemizde Rüzgâr Enerjisi Kullanımı Türkiye de rüzgâr enerjisi yatırımları 1998 yılından itibaren, daha çok küçük ölçeli yap-işlet-devret modeli ile uygulamalar artmaya başlamıştır. Rüzgâr Santrallerinin Türkiye deki toplam kurulu gücü 13 santral ile MW tır. Bu haliyle ülkemizde rüzgâr enerjisinin payı %1 seviyesinin altındadır yılı itibari ile Türkiye de faaliyette olan Rüzgâr Santralleri 042

17 Ülkemizde Rüzgâr Enerjisi Kullanımı 043

18 Çeşme, Alize A.Ş., 3 x 500 kw = 1,5 MW 044

19 Çeşme, Güçbirliği A.Ş., 12 x 600 kw = 7,2 MW 045

20 Bozcaada, Bores A.Ş., 17 x 600 kw = 10,2 MW 046

21 İstanbul, Sunjüt A.Ş., 2 x 600 kw = 1,2 MW 047

22 Bandırma, Bares A.Ş., 20 x 1500 kw = 30 MW 048

23 İstanbul, Ertürk A.Ş.,1 x 850 kw = 0,85 MW 049

24 Çeşme, Mare A.Ş., 49 x 800 kw = 39,2 MW 050

25 Manisa, Deniz A.Ş., 6 x 1800 kw = 10,8 MW 051

26 Çanakkale, Anemon A.Ş., 38 x 800 kw = 30,4 MW 052

27 Çanakkale, Doğal A.Ş., 14,9 MW 053

28 2007 Hatay, Deniz A.Ş., 15 x 2000 kw = 30 MW 054

29 türbin ile dünyanın en büyük rüzgâr çiftliği Altamont Pass, CA (ABD) Rüzgâr çiftliği 055

30 Rüzgâr Enerjisinin Oluşumu Abdussamet SUBAŞI

31 Rüzgâr nasıl oluşur? Güneş ışınları, yeryüzünde farklı sıcaklık, basınç ve nem oluşturur. Bu oluşumdan dolayı Rüzgâr Enerjisi meydana gelir. Güneş dünyaya saatte W enerji gönderir ve bu enerjinin ~% 1-2 si Rüzgâr Enerjisi ne dönüşür. Yani Güneş Enerjisi nin dolaylı bir ürünüdür. Rüzgarın oluşumunu sağlayan 2 temel etken vardır; Dünyanın kendi etrafında dönüşü Dünya yüzeyindeki sıcaklık farklılıkları

32 Dünya nın Kendi Etrafında Dönüşü Dünya yüzeyine yaklaştıkça hava miktarı ve dolayısıyla hava basıncı artar. Yüzeye yakın hava kütlesi dünyanın dönüş hızına ayak uydurabilir. Eğer troposferde sabit duruyor olsaydık, dünyanın dönüşünü rüzgâr olarak hissedecektik! 058

33 Dünya Yüzeyindeki Sıcaklık Farkları Ekvatora düşen güneş ışınımı daha yoğun, dolayısıyla sıcaklık kutuplara göre daha yüksek! Isınan hava yükselir ve yerini soğuk hava doldurur. Böylece bir hava sirkülasyonu meydana gelir.

34 Dünya Yüzeyindeki Sıcaklık Farkları Denizler karadan daha geç ısınır ve soğur.

35 Rüzgâr Enerjisinin Tarihi Gelişimi Abdussamet SUBAŞI

36 Tarihsel Gelişim MÖ 3000 MÖ yy yy 1970 Yelkenli gemiler kullanılmaya başlandı. İran da ilk yel değirmeni yapıldı. İngiliz J.Semeaton rüzgâr hızı ve enerji arasında bir bağıntı buldu. Danimarka da rüzgâr enerjisiyle elektrik üreten ilk tesis kuruldu. Danimarka da kadar yel değirmeni kuruldu. ABD de de su pompalamak için 1000 adet yel değirmeni kuruldu. Rüzgâr enerjisi hakkında ciddi çalışmalara başlandı. Bilginin ışığında Eski Teknolojiden Yeni Teknolojilere 062

37 Teknolojik Gelişim 063

38 Abdussamet SUBAŞI Rüzgâr Türbini Çeşitleri

39 Rüzgâr Türbini Çeşitleri RÜZGÂR TÜRBİNLERİ 065

40 Düşey Eksenli Rüzgâr Türbinleri Düşey ekseni yere dik olacak şekilde ayarlanır. Daima rüzgârın geleceği yöne göre ayarlanır. Güç toprak seviyesinde elde edilir. Türbin yardımcı tellerle ekseninden sabitlenmiştir. Verimi düşüktür. Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez. İlk hareket olarak elektrik motoruna ihtiyaç duymaktadır. 066

41 Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri Dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel, kanatlar ise rüzgâra dik yöndedir. Ticari türbinlerin çoğu yatay eksenlidir. Rotor rüzgârı en iyi alacak şekilde döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir. Rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanır. Elektrik üretmek için kullanılır. 067

42 Abdussamet SUBAŞI Rüzgâr Enerjisi Dönüşümü

43 Elektrik Enerjisi Dönüşümü 069

44 Rüzgâr Enerjisi Dönüşüm Aşamaları Mekanik Güç Elektriksel Güç Türbin rotoru: Aerodinamik olarak dizayn edilmiş kanatları vasıtası ile rüzgar dalga enerjisinin bir kısmını yakalayarak mekanik enerjiye çevirir. Dişli kutusu : Düşük hızlı mekanik enerjiyi yüksek hıza çıkarılır. Generatör : Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji ise generatör aracılığı ile elektrik enerjine dönüştürülür. Güç Dönüştürücü: Rüzgâr enerji sistemi topolojisine bağlı olarak güç elektroniği üniteleri ile elektrik enerjisi farklı formlarda regüle edilebilir. Transformatör ve iletim hatları : Yerel elektrik şebekesine elektrik sayacı ve kesici üzerinden bağlanır. 070

45 Bir Rüzgâr Türbinin Ayrıntılı Yapısı Bir Rüzgâr Enerji Santralinin Temel Bileşenleri: 1. Kule 2. 2 veya 3 kanatlı rüzgâr türbini 3. Rüzgâr yönüne göre kanatların/türbinin yönünü ayarlayan mekanizma 4. Mekanik dişli ünitesi 5. Elektrik generatörü 6. Hız sensörleri ve hız kontrol ünitesi 7. Güç-elektronik ünitesi ve kontrolü 8. Enerji depolama 9. Yerel elektrik şebekesine bağlantı için transformatör, iletim hattı ve kesici Yatay eksenli bir rüzgâr türbinin ayrıntılı yapısı

46 Abdussamet SUBAŞI Rüzgâr Güç İlişkisi

47 Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki SI birim sistemine göre ν hızı ile hareket eden m kütleli havanın kinetik enerjisi; Bu şekilde hareket eden hava akımının gücü, kinetik enerjisinin birim zamandaki değişimine eşit olacaktır. 073

48 Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki Buradan; A alanı boyunca ν hızı ile hareket eden hava kütlesinin gücü; 074

49 Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki Burada verilen güç, birim m 2 başına karşılık gelen güç olup, bu büyüklük bir bölgenin spesifik gücü olarak veya güç yoğunluğu olarak adlandırılır. Dolayısıyla bir bölgenin spesifik gücü; olup birimi [watt/m 2 ] dir. 075

50 Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki Yukarıdaki eşitlik gereğince rüzgârın gücü; hızın küpüyle (P Rüzgâr α ν 3 ), türbin rotorunun süpürdüğü alan(p Rüzgâr α A) ve havanın yoğunluğu (P Rüzgâr α ρ) ile orantılıdır.

51 Rüzgâr Gücüne Etki Eden Parametreler P Rüzgâr α ν 3 Rüzgâr hızının iki katına çıkması gücün 8 kat artması anlamına gelir. Yani rüzgâr türbininin 1 saatte 20 m/h rüzgâr hızında yakaladığı enerji, 10 m/h hızında 8 saatte elde edilebilir. P Rüzgâr α A Yatay eksenli türbin için rotor süpürme alanı; Görüldüğü üzere A alanı yatay eksenli türbinlerde kanat çapının karesi ile orantılıdır.

52 Rüzgâr Gücüne Etki Eden Parametreler Dolayısıyla rüzgâr gücü D 2 ile orantılıdır [P Rüzgâr α A]. Yani kanat çapı iki katına çıkarıldığı takdirde, rüzgâr gücü 4 katına çıkar. Bu basit inceleme daha büyük rüzgâr türbinleri ile çalışma konusunda ekonomik skala hakkında bize genel karşılaştırma imkanı verir. Bir rüzgâr türbininin maliyeti yaklaşık kanat çapı ile orantılı olarak artar, hâlbuki güç kanat çapının karesi ile orantılıdır. Sonuç olarak daha büyük rüzgâr türbinleri daha ekonomiktir.

53 Rüzgâr Gücüne Etki Eden Parametreler Kule Yüksekliğinin Etkisi; Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının küpü ile doğru orantılı olduğundan, rüzgâr hızındaki ufak bir artış bile ekonomik açıdan oldukça önemlidir. Türbini yüksek hızlı rüzgârlara maruz bırakmanın bir yolu da, türbinleri daha uzun kulelere monte etmektir. Yer seviyesinin ilk birkaç yüz metre yüksekliklerinde, rüzgâr hızı yeryüzü ile olan sürtünme ve etkileşiminden dolayı oldukça fazla etkilenir. Pürüzsüz yüzeyler örneğin; durgun deniz yüzeyi rüzgâra karşı oldukça düşük bir direnç gösterir. Rüzgâr hızındaki değişim oranı yüksekliğin artmasıyla birlikte daha düşük seviyelerde kalacaktır.

54 Rüzgârdan Elde Edilen Güç Kanatları kesen rüzgârın tamamı rotorda mekanik güce dönüşmez. Rüzgârın kinetik enerjisinden elde edilen mekanik güç ifadesi için rotor verimi hesaplanmalıdır. Rotor kanatları tarafından yakalanan gerçek güç miktarı, rüzgâr kanalı girişi ile rüzgâr kanalı çıkışı hava akışları arasındaki kinetik enerjilerin farkıdır.

55 Rüzgârdan Elde Edilen Güç

56 Rüzgârdan Elde Edilen Güç Dönen kanatlar boyunca hareket eden havanın kütle akış oranı ortalama hız ile hava yoğunluğunun çarpımından elde edilebilir.

57 10 m Uygulama 1 atm basınç ve 21 0 C sıcaklığındaki rüzgâr 12 m/s hız ile 10 m çapındaki iki kanatlı rüzgâr türbinine girmektedir. (1) Rüzgârın gücünü hesaplayınız. (2) Mekanik enerjiye dönüşebilecek maksimum rüzgâr gücünü hesaplayınız. ν=12 m/s Deniz seviyesi 21 0 C

58 Çözüm (1)

59 Çözüm (2)

60 Abdussamet SUBAŞI Rüzgâr Çiftlikleri

61 Rüzgâr Çiftlikleri Tek türbinin yeterli olduğu uygulamalar dışında arazi şartları dikkate alınarak ilgili bölgelerde birden fazla rüzgâr türbini (genelde mümkün olan fazla sayıda) aynı rüzgâr bölgesine kurulur. Bu tür bölgelere rüzgâr çiftliği, rüzgâr tarlası veya rüzgâr parkı gibi isimler verilir. Peki, bir bölgeye kaç adet türbin kurabiliriz. Öncelikle şunu belirtmeliyim ki türbinlerin birbirine çok yakın kurulması gölgeleme etkisi yapar. Yani rüzgârı karşıdan ilk olarak alan türbinler arkadakilerin verimini düşürür. Çünkü rüzgârın bir miktar enerjisi alınınca hızı yavaşlar. Eğer türbinler arasında uygun mesafeler seçilirse rüzgâr hızı kendisini yeniden toparlar.

62 Rüzgâr Çiftlikleri 102

63 Rüzgâr Türbinleri İçin Generatör Sistemleri Abdussamet SUBAŞI

64 Rüzgâr Türbinleri İçin Generatörler Rüzgâr türbinlerinde, DC generatörler (Akü şarjı yapan küçük rüzgâr türbinlerinde ), Senkron generatörler (Şebekeye paralel çalışan rüzgâr türbinlerinde), Asenkron generatörler (Şebekeye paralel çalışan rüzgâr türbinlerinde) kullanılmaktadır. 104

65 DC Generatörler Düşük güçlerde tercih edilir. Genellikle sabit mıknatıslı DC generatörler kullanılmaktadır. Ancak sabit mıknatısların maliyeti yüksektir. Mıknatıs malzemesinin manyetikliği bozulabilmektedir. Dişli sistemi bazı uygulamalarda kullanılmış bazı uygulamalarda ise kullanılmamıştır. 105

66 Senkron Generatörler Senkron makine belirli bir sabit frekansı üreten ve sabit hızda çalışan bir elektrik makinesidir. Bu sebepten dolayı rüzgâr santrallerinde değişken hızda işletime çok uygun değildir. Ayrıca makinenin DC uyarıma ihtiyacı olduğundan bilezikler üzerinde kayan karbon fırçalara ihtiyacı vardır. Bu durum senkron makinenin rüzgâr türbinlerinde kullanımda bir sınırlama oluşturur. 106

67 Asenkron Generatörler Günümüzde rüzgâr santrallerinde kullanılan elektrik generatörü genel olarak asenkron makinelerdir. Şebekeden gelecek reaktif güce ihtiyaç duyar. Asenkron makinenin generatör olarak çalışabilmesi için senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürülmesi gerekir. 107

68 Sonuç Olarak..:: Rüzgâr tüm hızıyla esmeye devam ediyor ::.. 119

69 Kaynaklar Rüzgar ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Dersi Ders Notları Doç.Dr. Muğdeşem TANRIÖVEN, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul Alternative Energy Systems AND Applications B.K. HODGE, ISBN : Enerji Verimliliği ve Türkiye nin Enerji Geleceği Erzurum, Seminer Notları Prof. Dr. Yunus Ali ÇENGEL, University of Nevada, Reno Yeni Enerji Kaynakları Dersi Ders Notları Dr. Mutlu BOZTEPE, Ege Üniversitesi, İzmir Elektrik Etüt İşleri İdaresi Genel Müdürlüğü Resmi Web Sayfası ( ) Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yrd.Doç.Dr.İsmet AKOVA, ISBN :

70 Sorular & Katkılar